Modélisation hyperbolique eulérienne et multiphasique de la compaction et de la fragmentation de bétons cellulaires

Contexte
Les bétons cellulaires sont des matériaux poreux, légers, recyclables, bon marché, ininflammables et à faible empreinte carbone. Leur nature poreuse leur permet de dissiper efficacement tout apport d’énergie extérieure en énergie de déformation et de compaction. Cela en fait de bons candidats pour la construction de dispositifs de sécurité et de barrières de protection pour prévenir divers modes de défaillances. On peut par exemple citer le domaine des transports, avec la prévention de toute forme de pollution environnementale, ou de défaillance des batteries électriques intégrées à tout type de navire. On peut aussi citer le maintien en conditions opérationnelles de systèmes de défense.

Ces matériaux étant initialement destinés à des applications de génie civil, une optimisation de ces matériaux (masse volumique, fraction de porosité) reste à réaliser dans le cadre d’une utilisation à des fins de sécurité. Ce projet se propose de se concentrer sur la simulation numérique de la réponse aux chocs des bétons cellulaires fragiles, dont la connaissance doit être améliorée et complétée, afin de déterminer les exigences de tenue mécanique et masse volumique, nécessaire à la définition d’un nouveau produit.

La simulation sous impacts de bétons cellulaires fragiles en milieu potentiellement aqueux, saturés en fluide ou pas, apparaît comme un cas particulier de problèmes d’interaction entre des fluides et des structures poreuses solides et fragiles, dans le cadre de sollicitations sévères, avec des solutions de type choc. Des formulations mathématiques multiphasiques à interfaces diffuses [3] ont pu être développées avec succès pour l’interaction fluide-structure, et permettent de considérer des interfaces et des mélanges avec le même modèle et le même schéma numérique dans tout le domaine de calcul, les interfaces étant considérées comme des zones de mélange. Un récent modèle [2] multiphasique permet de décrire la compaction irréversible dynamique de milieux poreux. Par ailleurs, une autre récente modélisation hyperbolique a proposé un nouveau cadre pour décrire la fissuration dynamique par une approche régularisée de type endommagement non local, avec micro-inertie d’endommagement, décrivant ainsi la propagation de cet endommagement par une onde [1].

Cependant, la construction de modélisations mathématiques bien posées, thermodynamiquement cohérentes, capables de résoudre des problèmes multiphysiques et multi-matériaux, en présence d’interfaces mobiles, de phénomènes de compaction et de fracturation dynamique du squelette solide fragile, est un véritable défi en soi. Différentes sous-parties d’une telle modélisation ont pu être développées dans un passé récent, mais n’ont pas encore été réunies dans un même modèle à ce jour. Une telle modélisation, ainsi que son implémentation numérique dans un code de calcul à hautes performances, représenteront un outil indispensable et performant pour le dimensionnement d’éléments variés de barrière de sécurité en béton cellulaire, et permettront de  simuler numériquement leur capacité de protection.

Objectifs
L’objectif de cette thèse est de pouvoir décrire la réponse aux chocs de matériaux bétons cellulaires fragiles, en couplant un modèle eulérien, hyperbolique, d’écoulement multiphasique de compaction irréversible dynamique, à un autre intégrant un gradient de la variable d’endommagement et une micro-inertie associée. Cette nouvelle modélisation sera implémentée dans le code de calcul ECOGEN [4] (https://code-mphi.github.io/ECOGEN/docs/sphinx_docs/index.html). Ce code est dédié aux écoulements multiphasiques, écrit en C++, et fonctionne avec différents types de grilles de calcul (cartésiennes, AMR et non structurées) sur plusieurs milliers de coeurs en utilisant la librairie MPI. Ce code permettra d’envisager des scénarios de simulation 3D. Il est prévu de calibrer une partie du modèle en comparant les résultats de simulations numériques à des données expérimentales existantes, obtenues sur des essais conduits sur quelques types particuliers de bétons cellulaires par une équipe de l’IRDL à l’ENSTA, Brest.

Particularité due au financement:

La personne recrutée devra obligatoirement avoir une nationalité UK, Suisse ou EU.

L’École nationale d’ingénieurs de Brest est un EPSCP créé en 1961. Elle opère sous tutelle du ministère en charge
de l’enseignement supérieur. Elle est affiliée à l’Institut Mines Télécom et est membre fondatrice de l’Alliance Universitaire de Bretagne. L’école est située sur le technopôle Brest-Iroise, au bord de l’océan. L’équipe  pédagogique est composée d’une soixantaine d’enseignants titulaires et une quarantaine de personnes actives en recherche. Le nombre total d’étudiants est de 800 environ. L’ENIB rejoindra au 1er janvier 2025 comme école interne sous article L 7139-9 du code de l’éducation l’Institut national polytechnique de Bretagne, nouvellement  créé. Cette transformation institutionnelle s’accompagne d’un engagement fort de l’ENIB en faveur de  l’intégration des enjeux de transitions écologiques dans l’ensemble de ses activités, fonctions et métiers. L’ENIB forme en cinq ans des ingénieurs généralistes de terrain en système en électronique, informatique et mécatronique. Les enseignements dispensés sont tournés vers le monde de l’entreprise à travers de nombreux
stages, ainsi que vers les activités de recherche de l’établissement.

L’école est tutelle principale des UMR, CNRS IRDL et Lab-STICC. Elle est également membre des écoles doctorales
MathSTIC Bretagne Océane et SPI.bzh et est accréditée à délivrer le diplôme de doctorat dans le cadre de ces  écoles doctorales. Elle est également affiliée à l’Institut Carnot ARTS, au labEx CominLabs, au pôle de  compétitivité I&R, à l’EquipEx Continuum et à l’EUR ISblue. L’ENIB héberge également le site brestois de l’IRT  <b>com et est active au sein de la SATT Ouest Valorisation et du PUI Blue Box.

En vue d’un co-financement de thèse par l’AID (Défense), la personne recrutée devra obligatoirement avoir une nationalité UK, Suisse ou EU. Elle aura de solides compétences en mathématiques et méthodes numériques pour les EDP, et appréciant la  rogrammation dans des langages de calcul scientifique (C++, Fortran). Le candidat fera preuve de rigueur et d’une  mportante curiosité scientifique. L’anglais couramment parlé  t écrit est également requis. Des compétences en mécaniques  des fluides et des solides seront un plus. Ce travail sera effectué en Zone à Régime Restrictif (ZRR).